Implementación basada en FPGA de un regulador digital de insulina-glucosa para pacientes diabéticos tipo 2
Autores: Di Patrizio Stanchieri, Guido; De Marcellis, Andrea; Faccio, Marco; Palange, Elia; Di Ferdinando, Mario; Di Gennaro, Stefano; Pepe, Pierdomenico
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Implementación basada en FPGA de un regulador digital de insulina-glucosa para pacientes diabéticos tipo 2
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Palabras clave
Hardware
Regulador de insulina-glucosa
Placa FPGA
Control en tiempo real
Condición de bucle cerrado
Concentración de glucosa.
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 55
Citaciones: Sin citaciones
Este documento informa sobre la implementación de hardware de un regulador digital de insulina-glucosa para pacientes diabéticos tipo 2 mediante el uso de una placa de Array de Puertas Programables en Campo. Para un control en tiempo real de la concentración de insulina del paciente, el regulador de insulina solo necesita medir la concentración de glucosa en su sangre. Con respecto a otras soluciones informadas que utilizan hardware programable de propósito general, el regulador de insulina-glucosa propuesto permite diseñar una arquitectura de sistema sin software, completamente de hardware, aquí descrita en detalle. Se ha desarrollado un prototipo para validar su funcionalidad en los siguientes dos modos de operación: (i) en la condición de lazo abierto en la que solo el regulador de insulina-glucosa está operando; (ii) en la condición de lazo cerrado en la que el regulador de insulina-glucosa actuando como un páncreas artificial está conectado a una población de cien pacientes virtuales identificados mediante el empleo de un modelo teórico integral reconocido por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos para la validación preclínica de estrategias de control de glucosa. Estos pacientes virtuales presentan la misma tendencia de variación de la concentración de glucosa logrando diferentes valores máximos y mínimos de concentraciones de glucosa al comer una comida. El documento presenta y discute los resultados experimentales comparándolos con los obtenidos al implementar el modelo teórico a través de simulaciones numéricas realizadas en SIMULINK. Se han logrado errores relativos inferiores al +/-1% al realizar esta comparación, demostrando así una precisión muy alta del sistema digital del regulador de insulina-glucosa propuesto. La solución de hardware implementada del controlador digital puede procesar los datos de entrada relacionados con la concentración de glucosa de cada paciente virtual en aproximadamente 1.1 s con un consumo de energía estimado de alrededor de 36 mW. Estos logros abren el camino para investigaciones adicionales sobre arquitecturas digitales para reguladores de glucosa que se integren en VLSI como Sistemas-en-un-Chip y/o Laboratorios-en-un-Chip para soluciones portátiles, vestibles e implantables en aplicaciones biomédicas reales.
Descripción
Este documento informa sobre la implementación de hardware de un regulador digital de insulina-glucosa para pacientes diabéticos tipo 2 mediante el uso de una placa de Array de Puertas Programables en Campo. Para un control en tiempo real de la concentración de insulina del paciente, el regulador de insulina solo necesita medir la concentración de glucosa en su sangre. Con respecto a otras soluciones informadas que utilizan hardware programable de propósito general, el regulador de insulina-glucosa propuesto permite diseñar una arquitectura de sistema sin software, completamente de hardware, aquí descrita en detalle. Se ha desarrollado un prototipo para validar su funcionalidad en los siguientes dos modos de operación: (i) en la condición de lazo abierto en la que solo el regulador de insulina-glucosa está operando; (ii) en la condición de lazo cerrado en la que el regulador de insulina-glucosa actuando como un páncreas artificial está conectado a una población de cien pacientes virtuales identificados mediante el empleo de un modelo teórico integral reconocido por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos para la validación preclínica de estrategias de control de glucosa. Estos pacientes virtuales presentan la misma tendencia de variación de la concentración de glucosa logrando diferentes valores máximos y mínimos de concentraciones de glucosa al comer una comida. El documento presenta y discute los resultados experimentales comparándolos con los obtenidos al implementar el modelo teórico a través de simulaciones numéricas realizadas en SIMULINK. Se han logrado errores relativos inferiores al +/-1% al realizar esta comparación, demostrando así una precisión muy alta del sistema digital del regulador de insulina-glucosa propuesto. La solución de hardware implementada del controlador digital puede procesar los datos de entrada relacionados con la concentración de glucosa de cada paciente virtual en aproximadamente 1.1 s con un consumo de energía estimado de alrededor de 36 mW. Estos logros abren el camino para investigaciones adicionales sobre arquitecturas digitales para reguladores de glucosa que se integren en VLSI como Sistemas-en-un-Chip y/o Laboratorios-en-un-Chip para soluciones portátiles, vestibles e implantables en aplicaciones biomédicas reales.